嵌入式智能家居监控系统的设计与实现

1 引言

随着家庭网络研究的兴起，如何设计一种集家电管理、协议转换和家庭网络监控为一体的家庭网关，实现家用电器的网络化、智能化和远程控制，已成为当前研究的热点。

本文以CGI原理为基础，以嵌入式数据库为后台，用软件编程的方法实现用户、Web服务器以及网关应用程序之间的动态交互，提出了-一种新的基于SIP协议和嵌入式数据库实现家居远程监测和控制的解决方案。

2 总体方案

本系统包括信息家电、智能家庭网关和远程监控端三个主要模块。信息家电被作为SIP的智能终端接入家庭网关，以SIP消息形式向后者发送网络标识申请帧和设备描述文件，完成注册;家庭网关基于SIP网络服务器和Web服务器，一方面实现对信息家电的认证和管理，另一方面为远程监控端提供服务;用户可通过PC浏览器和基于SIP用户代理的监控软件两种方式实现对信息家电的远程监控。其整体结构如图1所示。

在家庭网关硬件平台的设计过程中，本文采用模块化的方法，以中央处理单元为中心，

设计其他相关功能模块。软件设计方面，基于ARM7TDMI核的微处理器移植了嵌入式操作系统uCLinux，为实现SIP协议栈提供底层软件支持。基于SIP协议栈完成SIP网络服务器，实现了信息家电的注册、认证和管理。并通过移植Boa Web服务器和SQLite数据库到uCLinux系统中，以CGI原理为基础实现动态Web技术。

　　图1 嵌入式智能家居监控系统整体结构图 图 2 家庭网关硬件平台结构设计

3 嵌入式数据库在监控系统中的应用

在嵌入式远程监控系统中，需对大量的实时数据进行采集和处理，多样化的数据存储和管理需要一个后台数据库来支撑。由于嵌入式系统软硬件资源都有限，传统的企业数据库如Oracle、Sybase等明显臃肿，很难发挥作用，因此，本文选用了小型的开源嵌入式数据库SQLite，并针对家庭网关ARM-uCLinux平台对其进行移植、裁减和应用。

3.1 SQLite在ARM-uCLinux上的实现

SQLite是用C语言编写的开源嵌入式数据库引擎，占用资源非常低，在嵌入式设备中，只需要几百K的内存就够了[1]。它能够支持Windows/Linux等主流操作系统，其处理速度甚至令开源世界著名的数据库管理系统Mysql、PostgreSQL望尘莫及[2]。SQLite 对SQL92 标准的支持包括索引、限制、触发和查看，支持原子的、一致的、独立和持久的(ACID)事务。

SQLite在ARM-uCLinux上的主要移植步骤如下：

(1) 下载并解压软件包至uCLinux-dist/user目录下;

tar zxvf sqlite-2.8.16.tar.gz –C uCLinux-dist/user/

(2) 参照uClinux-dist/Documentation/Adding-User-Apps-HOWTO文档;

添加SQLite作为uCLinux的一个用户应用程序

(3) 针对ARM-uCLinux修改SQLite;

修改sqlite/src/os.c、sqlite/src/shell.c等文件

并以sqlite/Makefile.linux-gcc文件为蓝本，写一个合适的Makefile

(4) 依次运行make dep;make lib_only;make user_only;make romfs;make image

即在uClinux-dist/images下编译生成了包含有sqlite的romfs文件系统。

(5) 下载romfs到ARM-uCLinux的可读写目录，运行sqlite即可。

3.2 SQLite的C程序设计

嵌入式数据库SQLite与操作系统和具体应用集成在一起，无须独立运行的数据库引擎，它由程序直接调用相应的API函数去实现对数据的存取操作。其中有三个核心API函数。sqlite_open()和sqlite_close()分别打开和关闭嵌入式数据库文件即建立和释放SQLite引擎，而sqlite_exec()可以执行SQL语句并获得结果，通过自行编写回调函数可进一步对执行结果进行处理。

本系统通过现场总线由实时数据采集、处理模块按照用户设定的控制参数(如A/D采样频率等)，对信息家电信号进行采集和数字滤波，然后调要API函数将数据存入SQLite数据库。SQLite对设备信息进行管理，并且支持查询、修改等功能。

4 SIP协议在家庭网关中的应用分析

SIP(Session Initiation Protocol)是由IETF(Internet 工程任务组)于1999年提出的基于IP网络实现实时通信应用的一种信令协议[3]。它结构简单、易于扩展，提供良好的QoS支持。虽然主要为IP网络设计，但它也可以在ATM、帧中继等承载网中工作，是下一代网络VoIP的重要解决方案。

4.1 家庭网关中SIP各组件的功能设计

SIP协议包含两类组件：用户代理(User Agent)和网络服务器(Network Server)。用户代理完成呼叫的发起和接收;网络服务器主要为用户代理提供注册、认证和路由等服务，它又分为代理服务器、重定位服务器和注册服务器